Dispositivo de electrodesionización.

Un dispositivo (10) de electrodesionización, a través del cual se proporcionan una primera y una segundatrayectorias de flujo de fluido en paralelo,

comprendiendo el dispositivo (10) de electrodesionización una pluralidadde compartimentos (20D) de reducción de iones y una pluralidad de compartimentos (20C) de concentración deiones intercalados entre un conjunto (40) de ánodo y un conjunto (30) de cátodo;

estando dicha primera trayectoria de flujo de fluido configurada para introducir fluido en, y extraer fluido desde, cadauno de dichos compartimentos (20D) de reducción de iones sustancialmente de manera simultánea;

estando dicha segunda trayectoria de flujo de fluido configurada para introducir fluido en, y extraer fluido desde, cadauno de dichos compartimentos (20C) de concentración de iones sustancialmente de forma simultánea;

teniendo cada compartimento (20D) de reducción de iones una pluralidad de canales (22a-c) capacitados parapermitir la extracción de iones desde un fluido que pasa a su través cuando se genera una corriente entre dichosconjuntos (40, 30) de ánodo y de cátodo, estando cada compartimento (20D) de reducción de iones configurado detal modo que el fluido llevado hasta el mismo fluye secuencialmente a través de uno de los citados canales (22a-c)de reducción de iones, y

teniendo cada compartimento (20C) de concentración de iones una pluralidad de canales de concentración de ionescapacitados para permitir la migración de iones hacia un fluido que pasa a su través cuando se genera una corrienteentre dichos conjuntos (40 30) de ánodo y de cátodo, estando cada compartimento (20C) de concentraciónconfigurado de tal modo que el fluido llevado hasta el mismo fluye secuencialmente a través de cada canal deconcentración de iones,

en donde dichos conjuntos (40, 30) de ánodo y de cátodo comprenden una pluralidad de placas (42, 32) deelectrodo respectivas, conectadas separadamente a una única fuente de alimentación (50) de múltiples salidas, yy en donde los compartimentos (20D, 20C) de reducción y de concentración de iones están dispuestos en unapilamiento según una secuencia alterna de tal modo que los canales (22a-c) de reducción y de concentración deiones que se superponen a través del apilamiento forman grupos (A-C) de canales, y cada grupo de canales estádotado de sus propias placas (42, 32) de electrodos de ánodo y de cátodo, por parejas.

Dispositivo de electrodesionización Campo En general, la presente invención está dirigida a un dispositivo de electrodesionización, y más en particular, a un dispositivo de electrodesionización robusto, escalable, adecuado para desionización “ultra pura”.

Antecedentes La purificación del agua tiene un interés considerable en muchas industrias. Por ejemplo, en la industria farmacéutica, la denominada agua “ultra pura” (es decir, agua que tiene una resistividad de 18, 2 megohmios/cm) se utiliza en muchas de las reacciones ya sea bajo estudio para búsqueda de nuevos medicamentos o ya sea involucrada en la fabricación del medicamento. Una concentración excesivamente alta de iones y de otras impurezas en el agua puede afectar negativamente a tales reacciones, introduciendo fuentes de error que pueden dar como resultado diagnósticos erróneos o datos deficientes de otra manera.

La electrodesionización es un proceso para eliminar iones de los líquidos mediante absorción de estos iones en un material sólido capacitado para el intercambio de estos iones ya sea por iones de hidrógeno (por cationes) o ya sea por iones hidróxido (por aniones) , y retirada simultánea o posterior de los iones sorbidos mediante la aplicación de un campo eléctrico.

El proceso de electrodesionización se realiza con frecuencia en un aparato que consiste en compartimentos de dilución y compartimentos de concentración alternativos, separados por membranas permeables a los aniones y a los cationes. Los compartimentos de dilución están llenos de un material poroso de intercambio de iones a través del cual fluye el agua que va a ser desionizada. Los materiales de intercambio de iones son habitualmente mezclas de resinas de intercambio de cationes y resinas de intercambio de aniones. Se han sugerido capas alternas de estas resinas. Se han descrito también materiales de intercambio de iones consistentes en fibras tejidas y no tejidas. Los compartimentos limítrofes con el compartimento de dilución en el que se mueven los iones en virtud del campo eléctrico aplicado, denominados compartimentos de concentración, pueden estar llenos de materiales de intercambio de iones o de materiales inertes permeables al líquido. Un conjunto de uno o más pares de componentes de dilución o de concentración, conocido con frecuencia como un “par de células”, están unidos a cada uno de los lados mediante un ánodo y un cátodo, permitiendo con ello la aplicación de un campo eléctrico perpendicular a la dirección general del flujo de líquido.

Aunque los dispositivos de electrodesionización del pasado son eficaces y proporcionan buenos resultados, permanece la necesidad de una mejora adicional de los mismos y, en particular, un incremento de la capacidad y del rendimiento de tales dispositivos, junto con incrementos escalados linealmente pronosticables, sin poner en riesgo una buena desionización “ultra pura”.

El documento EP-A-0379116 describe un dispositivo de electrodesionización con una pluralidad de compartimentos de concentración y reducción de iones que contienen respectivamente perlas de resina de intercambio. Los conjuntos de ánodo y de cátodo tienen respectivamente electrodos individuales. En este dispositivo existe un flujo simultáneo solamente a través de parte de los compartimentos de reducción/concentración de iones mientras que existe un flujo secuencial entre dos grupos de tales compartimentos.

El documento EP-A-1068901 describe otro aparato de electrodesionización en el que los electrodos de ánodo/cátodo tienen forma de placa y están compuestos por una combinación de una pluralidad de pequeños electrodos de placa con el propósito de hacer que las densidades de corriente de las partes respectivas del compartimento, es decir de cada célula, sean diferentes entre sí.

En vista de lo anterior, un objeto principal de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo de electrodesionización que tenga una configuración que sea linealmente escalable, y que sea, con respecto a realizaciones linealmente escaladas del mismo, capaz de llevar a cabo una desionización ultra pura predeciblemente también.

Según la presente invención, se proporciona un dispositivo de electrodesionización con las características de la reivindicación 1.

En una realización principal, el dispositivo de electrodesionización, a través del cual fluye una primera y una segunda trayectorias de flujo, comprende una pluralidad de compartimentos de reducción y una pluralidad de compartimentos de concentración intercalados entre un conjunto de ánodo y un conjunto de cátodo. Los compartimentos de reducción y concentración están dispuestos según una secuencia alternativa. Con respecto al flujo paralelo, la primera y la segunda trayectorias de flujo están configuradas ambas para introducir fluido en, y extraer fluido desde, sus compartimentos respectivos de reducción y concentración de manera sustancialmente simultánea. Con respecto al flujo serie, cada compartimento está dotado de una pluralidad de canales, es decir, los sitios funcionales reales en donde ocurre el intercambio iónico de compartimento de cruce motivado eléctricamente, configurados de tal modo que el fluido llevado a su interior fluye hacia cada canal de forma sustancialmente secuencial.

En el dispositivo de electrodesionización de la presente invención, el fluido fluye “en paralelo” entre sus compartimentos de reducción y concentración, pero en serie dentro de dichos compartimentos (es decir, a través de los canales previstos en cada compartimento) .

En el dispositivo de electrodesionización de la presente invención, que tiene un conjunto de cátodo y un conjunto de ánodo que flanquean los compartimentos de reducción y concentración iónica del dispositivo, los conjuntos de cátodo y de ánodo comprenden electrodos segmentados.

En el dispositivo de desionización de la presente invención que emplea los electrodos segmentados antes mencionados, los electrodos están conectados a una única fuente de alimentación de salida múltiple.

Otro aspecto de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo de electrodesionización que comprende compartimentos de reducción y de concentración de iones, cada uno de los cuales tiene canales enlazados en serie, estando el dispositivo configurado de tal modo que exista coherencia en la presión transmembrana ejercida a su través y en la corriente eléctrica alimentada a cada canal del interior de uno particular de tales compartimentos.

Otro aspecto de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo de electrodesionización que comprenda compartimentos de reducción y concentración de iones, en donde cada uno de dichos compartimentos tiene canales conectados en serie, y en donde los canales del interior del compartimento de concentración y los canales del interior de compartimento de reducción difieren en cuanto a tamaño de las perlas de resina que llenan los citados canales.

Como respuesta al objeto anterior, se ha encontrado que se puede realizar una desionización comparativamente rápida en un dispositivo de desionización escalable en donde el flujo de corrientes de desechos y de producto a través de varios compartimentos de concentración y de reducción de iones, se produce de forma sustancialmente simultánea (es decir, trayectorias de flujo “en paralelo”) , pero que en el interior de cada compartimento, el líquido fluye secuencialmente a través de una serie de canales (es decir, trayectorias de flujo “en serie”) . Básicamente, entre los compartimentos, el flujo es en paralelo; pero dentro de los compartimentos, el flujo es en serie.

Aunque la invención no debe considerarse limitada a ninguna teoría en cuanto a la explicación de la misma, se considera que la trayectoria de flujo en paralelo del dispositivo mejora la tasa de flujo (por ejemplo, proporcionando procesamiento simultáneo entre varios compartimentos) , mientras que la trayectoria de flujo en serie mantiene una buena calidad del agua del producto (por ejemplo, proporcionando una trayectoria tortuosa que sea suficientemente larga como para asegurar una buena cantidad de tiempo de estancia) . La trayectoria de flujo en paralelo, debido a una dinámica de fluido similar operativa en cada compartimento, proporciona una base apropiada para la configuración linealmente escalable de componentes del dispositivo.

Como complementos a la configuración novedosa del dispositivo, la presente invención abarca ciertas tecnologías adicionales relacionadas. Uno importante de estos complementos consiste en el empleo de electrodos segmentados para el conjunto de ánodo y para el conjunto... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo (10) de electrodesionización, a través del cual se proporcionan una primera y una segunda trayectorias de flujo de fluido en paralelo, comprendiendo el dispositivo (10) de electrodesionización una pluralidad de compartimentos (20D) de reducción de iones y una pluralidad de compartimentos (20C) de concentración de iones intercalados entre un conjunto (40) de ánodo y un conjunto (30) de cátodo; estando dicha primera trayectoria de flujo de fluido configurada para introducir fluido en, y extraer fluido desde, cada uno de dichos compartimentos (20D) de reducción de iones sustancialmente de manera simultánea; estando dicha segunda trayectoria de flujo de fluido configurada para introducir fluido en, y extraer fluido desde, cada uno de dichos compartimentos (20C) de concentración de iones sustancialmente de forma simultánea; teniendo cada compartimento (20D) de reducción de iones una pluralidad de canales (22a-c) capacitados para permitir la extracción de iones desde un fluido que pasa a su través cuando se genera una corriente entre dichos conjuntos (40, 30) de ánodo y de cátodo, estando cada compartimento (20D) de reducción de iones configurado de tal modo que el fluido llevado hasta el mismo fluye secuencialmente a través de uno de los citados canales (22a-c) de reducción de iones, y teniendo cada compartimento (20C) de concentración de iones una pluralidad de canales de concentración de iones capacitados para permitir la migración de iones hacia un fluido que pasa a su través cuando se genera una corriente entre dichos conjuntos (40 30) de ánodo y de cátodo, estando cada compartimento (20C) de concentración configurado de tal modo que el fluido llevado hasta el mismo fluye secuencialmente a través de cada canal de concentración de iones, en donde dichos conjuntos (40, 30) de ánodo y de cátodo comprenden una pluralidad de placas (42, 32) de electrodo respectivas, conectadas separadamente a una única fuente de alimentación (50) de múltiples salidas, y y en donde los compartimentos (20D, 20C) de reducción y de concentración de iones están dispuestos en un apilamiento según una secuencia alterna de tal modo que los canales (22a-c) de reducción y de concentración de iones que se superponen a través del apilamiento forman grupos (A-C) de canales, y cada grupo de canales está dotado de sus propias placas (42, 32) de electrodos de ánodo y de cátodo, por parejas.

2. El dispositivo de electrodesionización de la reivindicación 1, en donde cada compartimento (20D, 20C) de reducción y de concentración de iones comprende una estructura (20) termoplástica sustancialmente monolítica, estando dicha estructura (20) termoplástica conformada para definir:

(a) dichos canales (22a-c) del compartimento respectivo,

(b) una entrada (24) de fluido y una salida (26) de fluido,

(c) una primera y una segunda derivaciones (25, 27) de fluido, capacitadas para permitir que el fluido pase a través de dicho compartimento (20D, 20C) respectivo sin pasar a través de los citados canales (22a-c) de dicho compartimento (20D, 20C) respectivo, y

(d) una serie de trayectorias (29) de fluido de conexión, que:

(i) conectan la citada entrada (24) de fluido con el canal delantero de dicho compartimento (20D, 20C) respectivo, y

(ii) conectan el canal trasero de dicho compartimento respectivo con dicha salida (26) de fluido.

3. El dispositivo de electrodesionización de la reivindicación 2, en donde la estructura (20) termoplástica de cada uno de dichos compartimentos (20C) de concentración de iones y la de cada uno de dichos compartimentos (20D) de reducción de iones, son sustancialmente idénticas.

4. El dispositivo de electrodesionización de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada compartimento (20D) de reducción de iones y cada compartimento (20C) de concentración de iones contienen perlas de resina de intercambio de iones, siendo el tamaño medio de las perlas de resina de los compartimentos (20C) de concentración de iones más pequeño que el tamaño medio de las perlas de resina de los compartimentos (20D) de reducción de iones.

5. El dispositivo de electrodesionización de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde:

el número de placas (42) de electrodo de ánodo, de placas (32) de electrodo de cátodo, de canales (22a-c) de reducción de iones de cada compartimento (20D) de reducción de iones, y de canales de concentración de iones de cada compartimento (20C) de concentración de iones, es el mismo.

6. El dispositivo de electrodesionización de la reivindicación 5, donde dicho número es tres.